Έννοιες κατωφλίου: μαθησιακό περιβάλλον καταγραφής και αναδόμησης εναλλακτικών αντιλήψεων πρωτοετών φοιτητών πληροφορικής

Abstract

The dissertation aims to improve the teaching and learning of fundamental concepts in Computer Architecture, with a particular focus on main memory (MM) and the way it is involved in program execution. Through an extensive literature review, it is confirmed that the development of a coherent mental model by students regarding the operation of MM during program execution is a critical prerequisite for understanding more complex concepts in Computer Science. The dissertation seeks to contribute in this direction through three main axes: (a) highlighting the importance—considered a threshold concept—of understanding the relationship between the organization of MM and the sequential execution of a program; (b) systematically investigating the mental models of first-year Computer Science students and the difficulties they encounter in concepts directly related to the internal workings of the computer; and (c) designing a learning environment that facilitates the reconstruction of students’ alternative conceptions. The investigation of students’ conceptions was carried out through two studies involving more than 300 participants. The first study revealed significant difficulties in understanding fundamental concepts, such as the role of special registers, the CPU–MM connection, and the function of MM during program execution. Many students, despite being able to recall factual knowledge, struggle to apply it in a combined manner to draw correct conclusions. The second study identified six main categories of alternative conceptions, with a particularly common misconception being that the hard disk can replace MM during program execution.Based on these findings, a learning environment rooted in principles of active, constructivist, and collaborative learning is proposed. It consists of three stages: (a) eliciting prior knowledge, (b) developing knowledge through individual activities with feedback, and (c) reconstructing and refining knowledge through asynchronous collaboration in small groups. The environment was implemented online, enabling immediate feedback and supporting a large number of students. The experimental implementation demonstrated that the initial activities confirmed students’ previously identified cognitive difficulties, while the knowledge-development stage had a substantial impact on strengthening their understanding of the concepts. During the collaborative discussion phase, students recognized and reconstructed alternative conceptions, improving their ability to connect and justify their knowledge. Additionally, the learning experience was positively evaluated both individually and collaboratively. Overall, the proposed learning environment design proves effective in enhancing the understanding of key Computer Architecture concepts and can be adapted to other subject areas, offering a valuable tool for educational practice.

Η διατριβή στοχεύει στη βελτίωση της διδασκαλίας και μάθησης βασικών εννοιών της Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών, εστιάζοντας ιδιαίτερα στην κύρια μνήμη (ΚΜ) και στον τρόπο που αυτή εμπλέκεται στην εκτέλεση προγράμματος. Μέσα από εκτενή βιβλιογραφική μελέτη επιβεβαιώνεται ότι η συγκρότηση ενός συνεκτικού νοητικού μοντέλου από τους/τις φοιτητές/τριες σχετικά με τη λειτουργία της ΚΜ κατά την εκτέλεση προγράμματος αποτελεί κρίσιμη προϋπόθεση για την κατανόηση πιο σύνθετων εννοιών της Πληροφορικής. Η διατριβή επιχειρεί να συμβάλει σε αυτή την κατεύθυνση με τρεις άξονες: α) την ανάδειξη της σημασίας ως έννοιας κατωφλίου της συσχέτισης της οργάνωσης της ΚΜ με τη σειριακή εκτέλεση προγράμματος, β) τη συστηματική διερεύνηση των νοητικών μοντέλων πρωτοετών φοιτητών/τριών και των δυσκολιών που αντιμετωπίζουν σε έννοιες που σχετίζονται άμεσα με τις εσωτερικές λειτουργίες του υπολογιστή, και γ) τον σχεδιασμό ενός μαθησιακού περιβάλλοντος που διευκολύνει την αναδόμηση των εναλλακτικών αντιλήψεων. Η διερεύνηση των αντιλήψεων πραγματοποιήθηκε μέσω δύο ερευνών με τη συμμετοχή πάνω από 300 φοιτητών/τριών. Στην πρώτη έρευνα αναδείχθηκαν σημαντικές δυσκολίες στην κατανόηση βασικών εννοιών, όπως ο ρόλος των ειδικών καταχωρητών, η σύνδεση ΚΜΕ–ΚΜ και η λειτουργία της ΚΜ κατά την εκτέλεση προγράμματος. Πολλοί/ές φοιτητές/τριες, παρά την ικανότητά τους να ανακαλούν γνώσεις, αδυνατούν να τις εφαρμόσουν συνδυαστικά για την εξαγωγή ορθών συμπερασμάτων. Η δεύτερη έρευνα εντόπισε έξι κύριες κατηγορίες εναλλακτικών αντιλήψεων, με ιδιαίτερα συχνή την εσφαλμένη πεποίθηση ότι ο σκληρός δίσκος μπορεί να αντικαταστήσει την ΚΜ κατά την εκτέλεση προγράμματος. Δεδομένων των παραπάνω, προτείνεται ένα μαθησιακό περιβάλλον βασισμένο σε αρχές ενεργητικής, εποικοδομητικής και συνεργατικής μάθησης, με τρία στάδια: α) διερεύνηση πρότερης γνώσης, β) ανάπτυξη γνώσης μέσω ατομικών δραστηριοτήτων με ανατροφοδότηση και γ) αναδόμηση–εκλέπτυνση γνώσης μέσω ασύγχρονης συνεργασίας σε μικρές ομάδες. Το περιβάλλον εφαρμόστηκε διαδικτυακά, επιτρέποντας άμεση ανατροφοδότηση και υποστήριξη μεγάλου αριθμού φοιτητών/τριών. Η πειραματική εφαρμογή κατέδειξε ότι οι αρχικές δραστηριότητες επιβεβαίωσαν τις εντοπισμένες γνωστικές δυσκολίες των φοιτητών/τριών, ενώ το στάδιο ανάπτυξης γνώσης είχε ουσιαστικό αντίκτυπο στην ενίσχυση της μάθησης των εννοιών. Στη φάση της συνεργατικής συζήτησης οι φοιτητές/τριες αναγνώρισαν και αναδόμησαν εναλλακτικές αντιλήψεις, με βελτίωση της ικανότητας σύνδεσης και τεκμηρίωσης γνώσεων. Παράλληλα, η μαθησιακή εμπειρία αξιολογήθηκε θετικά τόσο σε ατομικό όσο και σε συνεργατικό επίπεδο. Συνολικά, ο προτεινόμενος σχεδιασμός μαθησιακού περιβάλλοντος αποδεικνύεται αποτελεσματικός στην ενίσχυση της αντίληψης σημαντικών εννοιών της Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και μπορεί να αξιοποιηθεί ευρύτερα σε άλλα γνωστικά αντικείμενα, αποτελώντας πολύτιμο εργαλείο για την εκπαιδευτική πράξη.